Center for Hybrid Nanostructures
Universität Hamburg
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Magnetotransport

In nichtmagnetischen Materialien wird durch das Anlegen eines magnetischen Feldes senkrecht zur Stromrichtung der elektrische Widerstand verändert und es wird eine Hall-Spannung induziert. Diese Effekte können als Konsequenz der klassischen Lorentz-Kraft auf die Ladungsträger verstanden werden.

Auch in ferromagnetischen Materialien treten diese "gewöhnlichen" galvanomagnetischen Effekte auf, werden aber durch viel größere "außergewöhnliche" Effekte überlagert. Diese Effekte sind quantenmechanischen Ursprungs (Spin-Bahn-WW) und verknüpfen den elektronischen Transport mit der Magnetisierung und lassen sich somit ausnutzen um Informationen über das Magnetisierungsverhalten zu erhalten.

Durch Messen der Längsspannung/Querspannung können wir den anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR)/ anomalen Hall-Effekt (AHE) ausnutzen, um das Magnetisierungsverhalten von Partikeln im Nanometerbereich zu messen. Der AHE ist proportional zur senkrechten Magnetisierungskomponente und beim AMR hängt der Widerstand vom Winkel zwischen Strom und Magnetisierungsrichtung ab. In Abbildung 1.) sind der Längs- und Querwiderstand einer Co/Pt-Vierfachlage gezeigt. Dieser Film besitzt aufgrund der Grenzflächen-Anisotropie eine leichte Richtung der Magnetisierung senkrecht zur Filmoberfläche. Vor der Messung wurde der Film in polarer Richtung aufmagnetisiert (eindomäniger Zustand).

Abb.1: Magnetowiderstand als Funktion des angelegten externen Feldes µH für die 3 möglichen Orientierungen der Magnetisierung zur Stromrichtung (polar, transversal und longitudinal). Der Hub Δ ρip ist auf den AMR zurückzuführen und Δρop auf den neu gefundenen AIMR. Abb.2: MR als Funktion der Änderung der Magnetisierung. Dabei ist φ der in-plane Winkel und θ der out-of-plane Winkel. Die Messungen wurden bei einem konstanten Feld von 6T im Warmbohrmagneten durchgeführt.


In Abb.1 sieht man den Verlauf des Längswiderstandes einer Pt 5nm/Co 0,6nm/Pt 3nm Lage den 3 möglichen Messgeometrien (transversale, longitudinale und polare Ausrichtung des Feldes zur Stromrichtung). Der Widerstand für die beiden in-plane Richtungen ist bereits bei sehr kleinen Feldern (<100 mT) gesättigt, während in der polaren Richtung die Sättigung erst bei einem Feld von ca. 1,3 T erreicht wird. Daraus folgt, dass der Film eine leichte Magnetisierungsrichtung innerhalb der Filmebene besitzt. Der lineare Abfall aller drei Widerstandskurven nach Erreichen der Sättigungsmagnetisierung ist ein Effekt des Spinwellen-Magnetowiderstandes.

Der Widerstandshub Δρip zwischen der transversalen und der longitudinalen Ausrichtung lässt sich mit Hilfe des AMRs erklären. Er wird maximal, wenn der Winkel Θ zwischen Stromrichtung und Magnetisierung 0° beträgt (siehe Abb.2). Der Widerstandshub Δρop hingegen lässt sich nicht mit dem AMR erklären, da sich der Winkel zwischen Magnetisierung und Stromrichtung im gesamten Feldbereich nicht ändert. Der Grund für den Unterschied zwischen dem transversalen und polaren Sättigungswiderstand (Variation des out-of-plane Winkels Θ) liegt in einem neuen Magnetowiderstandseffekt begründet, dem sogenanntem AIMR (Anisotropic interface magnetoresitance) [1]. Dieser Effekt wurde für verschiedene Co Schichtdicken bis zu 50 nm untersucht (Abb.3). Dabei konnte festgestellt werden, dass mit zunehmender Schichtdicke die Größe des Effektes mit 1/d abnimmt. Es handelt sich beim AIMR also um einen Grenzflächeneffekt.

Abb. 3: Größe des AIMR Effektes in Abhängigkeit der Co-Schichtdicke. Die Abnahme für große Co-Dicken zeigt, dass es sich um einen Grenzflächeneffekt handeln muss.

[1]: Kobs et al., Physical Review Letters 106, 217207 (2011) Anisotropic interface magnetoresistance in Pt/Co/Pt sandwiches